توسعه فيلتري جديد براي استخراج لكّه هاي پروتييني در تصاوير الكتروفورز ژل دو بعدي

Development of a new filter for Protein Spot Segmentation in Two Dimensional Gel Electrophoresis Images

الكتروفورز ژل دو بعدي يكي از روش‌هاي پايه و پركاربرد در علم پروتيوميك است. درين روش، پروتيين‌هاي موجود در نمونه ي اوّليه براساس دو ويژگي وزن مولكولي و بار الكتريكي در دو بعد ازهم جدا شده و تصويري از لكّه هاي پروتييني مي دهد. به دليل تعداد زياد لكّه‌هاي پروتييني موجود دريك ژل نمونه كه نزديك به هم قرار دارند، پردازش تصاوير فرآيندي پيچيده است. وجود منابع نويز و آرتيفكت همچون شكستگي‌ها، آرتيفكت‌هاي ناشي از رنگ‌آميزي، رگه‌ها و موارد ديگر، جداسازي نواحي تصاوير با چالش‌هاي گوناگوني مواجه است. درين پژوهش، برپايه ي ويژگي‌هاي مكان/مقياس، مشتقّات مرتبه ي دوم و مقادير ويژه ي هيشين تصوير، براي بهبود لكّه هاي پروتييني و جداسازي نواحي لكّه از پس زمينه، فيلتري جديد ارايه شد. تصاوير الكتروفورز ژل دو بعدي ناحيه بندي شده و مكان و تعداد لكه هاي موجود در تصاوير، با اين فيلتر بهتر تشخيص داده شد. الگوريتم پيشنهادي توانايي جداسازي نواحي لكّه ي پروتييني را با نرخ TPR برابر 78/6 درصد و با نرخ FPR برابر 14/9 درصد از نواحي پس زمينه دارد. درحالي كه آستانه گذاري اوتسو و حوضچه ي آبريز به ترتيب: با نرخ هاي 71/4 درصد و 25/7 درصد، و با نرخ هاي 53/9 درصد و 8/1 درصد جداسازي مي‌نمايند. بررسي تعداد لكّه هاي صحيح استخراج شده در روش پيشنهادي، مي تواند با دقّت 83/6 درصد و با نرخ TPR برابر 81/1 درصد محل قرار‌گيري لكه ها را تشخيص دهد. در صورتي كه روش هاي اوتسو، حوضچه ي آبريز و مايلون به ترتيب: با دقّت 65/4 درصد و با نرخ برابر 78/3 درصد، دقّت 27/7 درصد و با نرخ 68/2 در‌صد، دقّت 74/0 درصد و با نرخ 72/7 در‌صد، مكان لكه ها را تشخيص مي‌دهد. نتايج روش پيشنهادي، دقّت و توانايي بالاتري را در ناحيه‌بندي تصوير، نسبت به روش هاي ديگر نشان داد.

Two-dimensional gel electrophoresis (2DGE) is a basic and widely used method in proteomics. In this method, mixtures of proteins are separated due to the differences in their molecular weight and isoelectric points and a final image obtained from the separated protein spots is created. Due to the large number of the protein spots in a 2DGE image and the importance of separation of overlapping proteins, the image processing of these images is a complex process. 2DGE images pose various noises and artifacts such as cracks, staining artifacts, and streaks that affect the reliability of the analysis. In this work, we have proposed a novel spots filter based on the scale-space second order structural Hessian and its eigenvalues for enhancing and separating the spots from the background. Furthermore, in this work, 2DGE images have been segmented and the locations of the spots have been detected. To evaluate and compare the proposed method, we have implemented three methods: Otsu thresholding, Watershed transform, and the method proposed by Mylona et al. Based on the regional spot volume evaluation, the TPR and FPR of the proposed method are 78.6 and 14.9, the TPR and FPR of the Otsu method are equal to 71.4 and 25.7 percent, and the TPR and FPR of the Watershed algorithm are 53.9 and 8.1 percent, respectively. Also, in the spot counts evaluation, the Precision and TPR of the proposed method are equal to 83.6 and 81.1 percent, and the Precision and TPR of Otsu method are 65.4 and 78.3, respectively. The Watershed transform has detected the spots with Precision and TPR equal to 27.7 and 68.2 percent, and the Precision and TPR of the method proposed by Mylona et al. are 74.0 and 72.7 percent, respectively. The results reveal the accuracy and superiority of the proposed method.